聚合物基复合材料在未来电梯中的应用

Emre Köroğlu 和 Ali Kiliç

这篇论文发表于 2022国际电梯及自动扶梯研讨会 在西班牙巴塞罗那。

抽象

创新建筑材料是全球最受欢迎的研究领域之一。 一些研究人员特别关注聚合物基复合材料 (PMC)，因为它们具有高性能和多功能性，可以在不久的将来改变建筑系统的工程方法。 考虑到本次研讨会主题中提到的 2030 年，我们对下一代电梯的预测显然应该是在不久的将来。 一个估计的预测应该是可行的，用于开发在未来 10 年内与目前的电梯设计截然不同的未来电梯设计。 从悲观的角度考虑最近的大流行，10 年可能不足以让电梯技术发生根本性的变化。 但是，无论如何，电梯行业的每个利益相关者都在努力使他们的产品更受客户青睐，因为他们试图降低他们的成本，这在今天是一个确定的现实，在未来也会再次发生。产品。 根据这一现实，使产品更受欢迎的新想法似乎有可能在 10 年内转化为应用。 由于 PMC 材料在行业许多领域的使用逐渐增加，其中一个想法将是将 PMC 材料用于电梯部件，使电梯更轻、更坚固、更美观、更节能。 因此，在本文中，将讨论复合材料的类型、适用于电梯部件的复合材料的制造方法、电梯复合材料的优势以及符合电梯法规的复合材料应用的挑战。 总之，本文提供了有关 PMC 材料电梯应用的令人满意的信息，这些材料是电梯部件的创新替代品。 

1. 引言

复合结构由两种或多种不同的材料制成，不会相互溶解。 这在宏观/微观/纳米尺度上提供了一种新的组合，因此它们显示出卓越的特性。 组件称为基体和增强材料（纤维）。 基体将结构固定在一起，保护增强材料并将施加的力传递给增强材料，而增强材料（纤维）承载结构将要承受的载荷。 为保护纤维免受腐蚀和氧化影响，基质材料可以是聚合物、金属或陶瓷，具体取决于使用领域。 耐磨损、断裂韧性和抗压强度高的金属基体无法与各增强组分形成良好的界面，这给制造带来了困难。^[1,2] 陶瓷基体耐极端温度、光照、侵蚀和磨损。^[2] 由于它们的硬度，它们非常脆并且断裂伸长率低。 因此，全世界生产的复合材料90%都是聚合物基体。^[1] 根据它们对热的反应行为，聚合物基体分为热固性或热塑性两种。 热固性塑料比热塑性塑料更受欢迎，因为它们易于生产且各向同性。^[3] PMC材料最重要的特点是比强度值高。 聚合物基复合材料的比弹性值是铝的五倍，在汽车、航空航天和国防工业等需要强度和轻质性的领域比铝合金更受青睐。 PMC 与许多不同增强材料的相容性也促进了复杂零件的制造。^[2] 与聚合物基体一起使用的增强材料通常是玻璃、碳或芳纶纤维。^[4]

PMC生产中有多种与热固性和热塑性树脂相容的生产方法。 一个非常基本的系统是手工铺设，它基于在增强层之间用滚筒分散液态树脂。 作为第二种方法，增强元件和基体树脂在喷涂铺设期间一起喷涂在表面上。 在压缩成型方法中，它基于零件几何形状的形成，因为模具被纤维压缩，基体放置在敞开的模具中。 除了这些方法，真空灌注、拉挤成型和纤维缠绕方法是其他最优选的方法。 在真空灌注法中，将熔融基质注入到放置在真空模具中的增强元件上，树脂在填充型腔后固化。 在拉挤法中，增强纤维首先浸入树脂浴中，然后在模具中成型，并在固化温度下形成型材的最终形状。 在长丝缠绕中，与拉挤成型不同，在树脂浴后，增强纤维上多余的树脂被扔掉，并通过将纤维缠绕在干燥设备中的心轴上形成型材。

2. 电梯施工中的PMC材料

在找到这个问题的答案之前，我们需要从一个稍微宽泛的角度来看待这个问题，并理解为什么复合材料是其他结构材料的替代品。 其实也不难理解。 因为，考虑到它们的性能，很明显为什么复合材料可以成为许多其他材料的重要替代品。 具有相同机械性能的聚合物基复合材料 (PMC) 比钢轻 60% 至 80%，比铝轻 20% 至 50%。^[5,6] 仅这些特性就使复合材料成为许多工程应用中高度优先的替代材料。 此外，人们认为复合材料在其使用区域具有轻质、设计灵活性和耐用性等优势，这将有助于施工并提高建筑物的可持续性得分。^[7]

由于其卓越的机械性能、设计灵活性和高性能以及相对较低的成本，复合材料经常用于各种应用，尤其是交通、建筑、汽车和航空航天。^[8] 它们的使用率与日俱增，例如，自 5 年以来，汽车行业复合材料的使用量以每年 2015% 的速度增长。^[5,9,10] 波音B-787梦想飞机使用的复合材料质量约占整机质量的50%。^[11] 从整体来看，到1188.4年全球复合材料市场规模已达2019亿美元^[12] 而 22.2 年全球对复合材料的需求约为 2015 亿美元^[5,9,10], …等支持该论点。 

综上所述，上述技术和统计数据表明，复合材料将成为未来的材料。 因此，对于为什么要在电梯中使用PMC这个问题的最佳答案会带来另一个问题：为什么不使用它们？ 考虑减轻电梯结构重量的目标； 旨在通过减轻运动部件的重量来确保能源效率； 关键结构部件的耐久性更能抵抗腐蚀等环境条件； 制造足够灵活和美观以实现不同的建筑设计，从而有所作为……如果我们在做所有这些的同时必须满足机械强度标准，那么除了 PMC 材料之外别无选择。

尽管上述要求在今天的条件下显得有些武断，但在不久的将来，它们将成为电梯行业的必需品。 建筑物高度的增加和建筑形式的多样化将需要更新当今的功能电梯设计。 在以这样的要求为起点的转型中，PMC材料在电梯领域的作用将是相当大的。

三、PMC材料作为电梯部件的应用

3.1. 目前的技术水平

关于在电梯中使用 PMC 材料，文献中有两个已知示例。 其中之一是通力 UltraRope^®，碳纤维增强电梯钢丝绳，另一种是为直线电机电梯系统设计的复合材料电梯轿厢，MULTI由TK Elevator（TKE）开发。 两种设计理念的主要动机是相同的：轻盈。

采用拉挤法生产的碳纤维增强塑料（CFRP）电梯钢丝绳KONE UltraRope是一种PMC材料。 当我们查看有关该主题的资源时，可以看到对四种不同的环氧树脂配方进行了检验，并得出结论，基于酸酐的环氧树脂是用于 CFRP 绳索生产的最佳环氧树脂配方。^[13] 凭借该产品，通力成功将电梯钢丝绳自身重量减轻了50%以上。 在一座 500 米高的建筑中，使用传统的电梯提升技术意味着移动重达 27,000 公斤左右的质量。 对于 500 米高的建筑，它将竖井内移动质量的重量减少到大约 13,000 公斤。 在通力提供的有关该产品的介绍信息中，强调这种照明在能源消耗和运营成本方面可节省 15% 至 40%。^[14]

在 TKE 开发的 MULTI 系统中，我们遇到了不使用绳索的带有直线电机的电梯系统。 同样，导致设计人员使用 PMC 材料的情况是运动质量的减轻。 为此，电梯轿厢面板采用 CFRP 材料设计，这是一种 PMC。 查阅相关资料发现，采用碳纤维增强塑料材料的电梯模型的移动质量总重量比传统电梯模型的重量减少了约 40%。 同一消息来源称，仅比较机舱壁的重量时，减轻了 80%。 此外，据报道，“设计的电梯模型已被批准满足电梯检查参数中提出的强度和刚度标准”。^[15]

3.2. 电梯中 PMC 的未来

可以很容易地预测，随着复合材料（尤其是 PMC）在几乎每个领域的广泛使用，使用 PMC 的电梯部件的种类将会绝对增加。 虽然预计在不久的将来会使用带有直线电机的电梯（所谓的无绳电梯），但很明显传统的绳索和液压电梯将继续安装在新建筑物中。 无论在不久的将来要安装在建筑物中的电梯系统是什么，减轻总移动质量的需求仍将是一个工程问题，这使得该领域的创新理念得以涌现。 据认为，这个问题将重点关注的部件，因此，可以使用 PMC 的电梯部件，将是电梯的移动结构，如轿厢、轿厢框架、配重框架、轿厢门、绳索、偏转滑轮和制动装置。 在这些部件中，轿厢、轿厢框架和轿门在所有系统中都有，而其他部件的使用可能因电梯系统而异。 表 1 预测性地总结了这种可变性。

从表中可以看出，几乎所有的移动电梯部件都可以使用PMC材料生产，同时可以预见，由于使用PMC材料将在系统中产生轻量化，一些部件的使用将不再是必需的，PMC 材料将不再是其他人的首选。 例如，当根据表 1 使用 PMC 材料时，在传统的电动电梯系统中可能不需要使用平衡链，并且配重材料和配重骨架可能不优选使用 PMC 材料生产，因为它们的目的是创造重量。 以直线电机系统为例，由于电梯系统的结构，轿厢和轿厢框架可以设计为一体结构，不需要使用其他部件。

虽然 PMC 在电梯中的使用主要集中在运动部件上，但 PMC 在其他电梯部件中的使用——例如机器底盘、导轨和导轨连接控制台甚至层站门——可以考虑静态负载或环境条件，例如作为腐蚀。

3.3. 使用 PMC 制造的电梯部件

当我们研究使用热固性 PMC 的制造方法时，我们发现了五种广泛使用的基本技术。 这些是手糊、喷涂、树脂传递模塑、拉挤成型和预浸料技术。 如果我们接受这些制造方法作为最先进的技术，则可以使用这些已知方法生产表 1 中指定的所有组件。 通过确定与要生产的组件相关的三个基本标准，可以找到将使用哪种生产技术。 这些标准中的第一个是部件是否将以零件或实体的形式生产，第二个是要生产的部件或部件的几何形状，最后是部件的预期机械性能。

为了用复合材料制造部件，在设计阶段考虑生产方法对每个部件进行评估，并根据评估结果设计部件是合适的。 例如，考虑使用 PMC 材料制造传统电动电梯的轿厢框架，我们在这里必须做出的第一个决定是将这种结构作为一个整体（实体）还是零件来生产。 这个问题没有绝对正确的答案。 因此，答案可能会因工程方法的设计而异。 通过使用PMC，这个结构可以被设计成一个实体结构，也可以被认为是一个类似于钢结构的设计，即以后可以相互添加的零件。 在这种情况下，如果胎体设计是实体的，则生产方法将是 VARTM，在其他情况下，单独生产的零件将以机械或化学方式组合。 可以用类似的方式评估将形成胎体的每个部分的生产方法。 对于此示例，图 3-c 和图 3-e 中显示的所有零件的几何形状都适用于拉挤方法。 也可以将通过不同方法生产的部件与机械或化学粘合剂结合起来。 

在制造方法的决策阶段，根据机械约束同时选择增强元件和基体材料。 增强材料可优选碳纤维或玻璃纤维，基体可优选环氧树脂或聚酯树脂与各种试剂的混合物。 虽然可以在模拟后决定材料偏好，但必须验证通过实验方法做出的选择是否具有所需的机械性能。 因此，为达到预期效果而准备的处方是诀窍。 如果没有达到预期的结果，可能不可避免地要回头审查组件设计。 为了使这个过程更容易理解，流程图如图4所示。

3.4. PMC产品在电梯中使用的挑战

PMC 材料具有优越的结构，可满足其使用领域的机械性能预期，甚至在许多应用中表现出优于预期的性能。 然而，根据行业的不同，PMC 材料的预期性能可能不仅仅满足机械要求。 除了机械要求外，由环境条件决定的性能参数，如导电性、导热性、可燃性、可回收性等，对PMC材料的使用也具有决定性作用。 电梯行业就是这种情况的一个例子。 EN 81-20标准参考了EN 13501-1标准，规定第5.4.4条规定的客舱支撑结构必须由不易燃材料制成。 CEN相关委员会在问答部分也有说明，这里的支撑结构应该理解为舱架和支撑平台。 这种结构是最适合在电梯系统中使用 PMC 材料的电梯部件之一，无论是在其承受的负载方面还是在所需的强度标准方面，以及在构成近 30% 的材料方面移动质量总重量的一部分，必须根据标准由不易燃材料制成。 很明显，根据 EN 13501-1 标准定义的可燃性等级不能由未改性的聚合物提供。 换句话说，如果要用PMC材料生产机舱骨架，那么在骨架设计之前就应该研究材料设计，并且应该获得满足不燃性标准的技术诀窍。 据文献报道，已知可以通过在树脂中混入一些化学试剂或在成品表面进行涂层等方法来提高PMC材料的阻燃性能。 例如，据报道，使用低毒、无卤素、低发烟率的磷酸盐基阻燃剂可以获得结果。 然而，应在实践中观察和优化此类理论配方对材料机械性能或生产过程的影响。

除了按照现行电梯标准开发 PMC 材料的成本外，另一个挑战是在实践中应用理论上已知的生产工艺。 虽然与 PMC 制造相关的技术的应用方法在文献中很清楚，但在应用过程中影响过程的参数并没有被提及太多。 例如，拉挤法的操作参数，如最佳纤维数、纤维布线阶段、拉线速度、模具温度、冷却距离等，只能根据实验研究结果来确定。 不能为这些和类似的操作参数假设一个标准值。 造成这种情况的主要原因是决定 PMC 含量的配方不同。 从配方中添加或移除成分或现有成分的比例变化的事实会直接影响操作参数。 根据新情况可能产生的影响和优化过程只能通过经验方法实现。 此外，复合材料行业的机密性和信息共享的限制使所有这些过程变得格外困难。

一般来说，无论是在设计还是制造方面，使用 PMC 材料都与使用钢材有很大不同。 钢材具有均质结构，并根据标准中定义的化学成分及其机械性能进行多样化。 用钢设计的一般工程方法是根据强度要求，在选择合适质量的钢材的同时进行尺寸零件设计。 如果在设计验证中获得的结果不符合预期，则可以通过选择其他不同质量的钢材或修改零件尺寸来改进结果。 然而，在使用复合材料时，该过程与这种传统方法略有不同。 首先，PMC 材料可能不像钢那样均质。 在这种情况下，这种非均质结构在载荷下的行为将提出一个新的工程问题。 不过，在产生这个问题的解决方案的同时，也可以将现状转化为优势。 例如，在 PMC 部件上负载密度高的区域，可以通过干扰纤维的数量或方向来增加局部强度。 总而言之，具有老式钢铁加工技能的工程团队应该学习如何分析和寻找解决方案，以应对因 PMC 的性质而出现的新情况。

4。 结论

总之，PMCs 作为未来的材料，将被用于未来的电梯，可以被认为是一种现实的预测，而不是一种乌托邦的方法。 如果实现这一估计，服务于电梯行业的组件和系统制造商的工程方法将有所不同。 开发新的PMC材料，根据需要配制合适的配方，根据不同的配方优化生产工艺，设计包含PMC部件的完整电梯系统，将在不久的将来提上电梯和部件制造商的议事日程。

案例

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